Спосіб однорідної орієнтації рідких кристалів

Спосіб однорідної орієнтації рідких кристалів (РК) шляхом опромінення орієнтуючого шару корпускулярним пучком, похилим до підкладки, який відрізняється тим, що опромінення проводять пучком плазми з параметрами, що лежать у межах кут опромінення а =20-85°, час опромінення т=10с-5хвил , густина струму j=0,110мкА/см2, енергія Е=200-1500В, причому вісь легкої орієнтації РК задають напрямком падіння пучка плазми так, що проекція легкої осі орієнтації РК на орієнтуючий шар співпадає з проекцією пучка плазми, а м переднахил є того ж напрямку, що і напрямок падіння пучка дисплеїв мультидоменної орієнтації, що характеризуються покращеним кутом огляду Відомо ряд способів, запропонованих останнім часом, для уникнення недоліків методу натирання, серед яких найбільш перспективним вважається спосіб фотоорієнтацм [1, 2] Він ґрунтується на спроможності деяких класів полімерів набувати анізотропних властивостей при опроміненні поляризованим світлом Безумовною перевагою цього способу є відсутність механічного контакту з орієнтуючою поверхнею Спосіб також дозволяє досить просто здійснювати модуляцію легкої осі, кута переднахилута енергії зчеплення Разом з тим, спосіб фотоорієнтацм має ряд недоліків у порівнянні із традиційним способом натирання Він характеризується відносно низькою енергією зчеплення, подвійним виродженням кута переднахилу, недостатньо високою термостабільністю та фотостабільністю індукованої орієнтації Недоліки способу фотоорієнтацм, очевидно, пов'язані із досить м'якою дією видимого та УФ опромінення на орієнтуючі шари Відомий спосіб [4], обраний як прототип, в якому орієнтуючий шар опромінюють корпускулярним пучком, похилим до підкладки Важкі іони не проникають глибоко в орієнтуючі плівки, однак суттєво модифікують їх поверхню Спосіб забезпечує похилу орієнтацію РК на підкладках органічної (полімери) та неорганічної (алмазоподібні плів 00 ю 58291 ки, SiNx, SiC, S1O2, AI2O3 та ін) природи Запропоновано також кілька застосувань способу іонної обробки для модуляції орієнтації РК [5-10] В той же час, в методі, запропонованому в [4], використовуються досить складні ІОННІ джерела В основу винаходу поставлена задача забезпечення високоякісної похилої орієнтації РК з контрольованими параметрами орієнтації з використанням іонних джерел спрощеної конструкції, що використовуються для генерації плазмових пучків Поставлена задача вирішується тим, що у способі однорідної орієнтації рідких кристалів (РК) шляхом опромінення орієнтуючого шару корпускулярним пучком, похилим до підкладки, опромінення проводять пучком плазми з параметрами, що лежать у межах кут опромінення а=20-85°, час опромінення т=10с-5хвил , густина струму j=0,110мкА/см2, енергія Е=200-1500В, причому вісь легкої орієнтації РК задають напрямком падіння пучка плазми так, що проекція легкої осі орієнтації РК на орієнтуючий шар співпадає з проекцією пучка плазми, а и переднахил є того ж напрямку, що і напрямок падіння пучка При створенні винаходу були враховані переваги способів орієнтації жорстким УФ та іонним пучком, які можуть бути поєднані при опроміненні орієнтуючих шарів плазмою Обробка поверхонь в ізотропній плазмі для модифікації РК орієнтації проводилася і раніше Вона використовувалася для травлення поверхонь, імплантації атомів та молекулярних груп та для полімеризації матеріалу орієнтуючої плівки [11-15] Такі процеси сприяли модифікації лише зенітальної енергії зчеплення Застосування напрямлених потоків (пучків) плазми для імплантації атомів та молекулярних фрагментів, полімеризації та ш , на відміну від обробки в ізотропній плазмі [11-15], може призвести до модуляції як полярного, так і азимутального зчеплення На відміну від іонних джерел типу Кауфмана [16], які використовувалися в [3-8], плазмові джерела вирізняються значно простішою будовою Вони не містять прискорюючих та компенсуючих сіток, а також допоміжних джерел електронів для ініціювання газового розряду Плазмові джерела характеризуються більшим ресурсом та економічністю На противагу іонному пучку, плазма містить цілий ряд активних компонент (іони, нейтральні атоми, електрони, УФ випромінювання) Комбінація цих факторів впливу дає ефект цілком ВІДМІННИЙ ВІД ефекту лише одних ІОНІВ Отже, зберігаючи основні переваги методу іонної орієнтації, метод плазмової орієнтації має ряд переваг та відкриває нові можливості Пояснюють винахід фігури креслень Фіг 1 Схема джерела плазмового випромінювання та система опромінення 1 - вакуумна камера, 2 - вікно, 3 - газорозрядний канал, 4 -тримач, 5 - підкладка С - катод, А - анод, N та S - полюси постійного магніту Фіг 2 Фото (а) та схема (б) комбінованої РК комірки в схрещених поляризаторах Нижня підкладка комірки - натертий шар полмміду, а верхня шар полмміду опромінений плазмовим пучком Напрямки натирання та опромінення показані стрілками Верхня підкладка опромінена лише в області чорного прямокутника на фото Фіг 3 Залежності кута переднахилу РК К15 від кута падіння плазмового пучка для різних підкладок П-ПОЛІІМІД, О - ПММА, V- ПВЦН, Д- скло Параметри опромінення для полімерів та скла, ВІД2 ПОВІДНО, такі J=8MKA/CM , E=600eV, теХр=2,5хв та 2 j=0 5мкА/см , E=400eV, техр=2,5хв Фіг 4 Кут переднахилу РК К15 на підкладках полиміду як функція енергії ІОНІВ Аг плазми 2 J = 8 M K A / C M , т е Х р=2,5хв, а = 2 0 ° Т о в щ и н а к о м і р о к 20мкм Фіг 5 Кут переднахилу РК К15 на підкладках полиміду як функція густини струму Аг плазми Е=600 eV, т еХ р=2,5хв, а=20° Товщина комірок 20мкм Фіг 6 Залежності світлопропускання від прикладеної напруги для РК комірок на основі натертого полмміду (•) та полмміду, обробленого плазмою (•) Параметри плазмової обробки E=600V, J=8MKA/CM 2 , Техр=2,5хв, а=20° Товщина комірок бмкм Фіг 7 Схематичне зображення процесу одержання дводоменної структури із взаємно перпендикулярними осями легкої орієнтації РК в доменах різного типу Фіг 8 Схематичне зображення процесу одержання дводоменної структури із протилежними напрямками переднахилу РК в доменах різного типу Заявлений спосіб здійснюється таким чином Як джерело колімованих плазмових потоків використовують прискорювач з анодним шаром (фиг 1) Це джерело розроблено спеціально для отримання плазмових потоків малої розбіжності і містить ПОСТІЙНІ магніти на внутрішньому та зовнішньому катодах Анод А розміщений над катодами С Разом ці електроди утворюють розрядний канал З Потік формується в схрещених магнітному і електричному полі безпосередньо в газорозрядному каналі, тому він є частиною генерованої плазми 3 метою обробки підкладок великої площі розрядний канал виготовлено у формі бігової доріжки У цьому випадку екстрагований плазмовий пучок має площиноподібну форму і шляхом переміщення можна обробляти поверхні великої площі Оброблювані підкладки 5 містяться у вакуумній камері на тримачі 4, що дозволяє змінювати кут падіння плазмового потоку від 0 до 90° Вакуумна камера 1 відкачується до тиску 10 5 Тор і заповнюється аргоном Використання аргону не виключає використання плазми інших газів для обробки поверхонь Робочий тиск в камері змінювався в межах (2-10)104Тор Цей тиск визначав густину струму ІОНІВ плазми j Енергія ІОНІВ задається анодним потенціалом U, що складав 2001500В Оптимальний час опромінення т ехр (час опромінення необхідний для якісної орієнтації) визначається експериментально Як орієнтуючі підкладки використовуються полімерні шари, нанесені на скляні пластини з прозорими ІТО електродами Для РК орієнтації використовуються також оброблені плазмовим пучком чисті скляні підкладки та скляні підкладки з ІТО електродами 58291 Для орієнтації РК на оброблених поверхнях виготовляються комірки у вигляді плоских капілярів, утворених орієнтуючими підкладками, розділеними спейсерами певного розміру (в нашому випадку 6 та 20мкм) Такі комірки заповнюються часто вживаними нематиками К15 та ZLI4801-000 фірми Мерк Виготовлялося кілька типів комірок 1 Комбіновані комірки, в яких одна із підкладок оброблена плазмовим пучком, а інша - містила шар полиміду, натертого в певному напрямку В таких комірках оброблена плазмою підкладка була об'єктною (досліджуваною), а натерта - референтною Вважалося, що вісь легкої орієнтації на цій підкладці співпадає з напрямком натирання Це давало змогу визначити напрямок орієнтації РК на обробленій плазмою підкладці 2 Симетричні комірки, в яких обидві підкладки оброблено плазмовим пучком Підкладки комбінуються таким чином, що напрямки падіння плазмового пучка були антипаралельними Такі комірки використовуються для вимірювання кута переднахилу РК методом обертання зразків [17] 3 Комірки мультидоменної орієнтації для демонстрації можливостей запропонованого методу В комбінованій комірці, що розташована в схрещених поляризаторах (фіг 2), об'єктною підкладкою є оброблений плазмою шар полиміду Комірка заправлена РК К15 Чорний прямокутник в центрі комірки відповідає області об'єктної підкладки, що опромінена плазмовим пучком 0=8мкА/см2, Е=600еВ, теХр=2хв) Напрямок натирання референтної підкладки 1 та проекція напрямку пучка плазми на об'єктну підкладку 2 направлені у вертикальному напрямку (стрілки на схемі б) Фото демонструє якісну однорідну планарну орієнтацію РК в області підкладки, обробленій плазмою Напрямок орієнтації РК в цій області співпадає з напрямком натирання референтної підкладки Це означає, що легка вісь РК на об'єктній підкладці індукується в напрямку проекції плазмового пучка на підкладку Орієнтація такої ж якості та з таким же напрямком легкої осі РК спостерігалася також на шарах інших полімерів (полівшілціннамату, поліметилметакрилату, полістиролу, ПОЛІВІНІЛОВОГО спирту та ш ), а також на поверхні скла та ІТО електродів Кут переднахилу РК К15 на різних підкладках залежить від умов опромінення (фіг 3-5) Його значення як функції кута падіння плазмового пучка для кількох полімерних орієнтуючих шарів (• ПОЛІІМІД, О - ПММА, V- ПВЦН), а також для чистого скла (Д) видно з фіг 3 Параметри плазмового опромінення для полімерних шарів і скла були, ВІДПОВІДНО, 2 J=8MKA/CM2, E=600eB, теХр=2,5хв та J=0,5MKA/CM , E=400eB, теХр=2,5хв Товщина ВІДПОВІДНИХ симетричних комірок складала 20мкм Кут переднахилу на ПОЛІІМІДІ залежить від енергії ІОНІВ плазми (фіг 4) Інші параметри опромінення такі J = 8 M K A / C M , теХр=2,5хв, а=20° Товщина комірок 20мкм Рис 5 демонструє залежність кута переднахилу на ПОЛІІМІДІ від густини струму Опромінення здійснювалось при наступних параметрах Е=600еВ, теХр=2,5хв, а=20° Товщина комірок 20мкм Плазмова обробка забезпечує кут переднахилу в межах кількох градусів (фіг 3-5), що значно більше за типові значення переднахилу, одержані методом фотоорієнтацм [18] Також видно, що кут переднахилу може керуватися за допомогою зміни параметрів опромінення Методом виміру кута закручування в комбінованих комірках [19] було проведено оцінку азимутальної енергії зчеплення W a Одержані значення були близькі до 10 3 ерг/см2, тобто такого ж порядку, що і значення Wa, що відповідають методу фотоорієнтацм [18] Як і кут переднахилу, енергія зчеплення залежить від параметрів опромінення Залежність пропускання симетричної комірки на основі оброблених плазмовим пучком полммідних підкладок (•), розміщеної між схрещеними поляризаторами, від прикладеної напруги видно з фіг 6 Товщина комірки бмкм Для порівняння приведена також характеристика комірки тієї ж товщини, побудованої на натертих шарах полмміду (•) Як видно, одержані характеристики практично ідентичні РК орієнтація на оброблених плазмою підкладках стійка до температурних та світлових впливів Зокрема, нагрівання комірок до 120°С (вище температури просвітлення рідких кристалів), витримка при цій температурі на протязі 15хв та наступне охолодження до кімнатної температури не призводили до помітного погіршення якості орієнтації Те ж саме стосується опромінення зразків УФ світлом неперервного спектру (250мВт/см2, ЗОхв) Однією З визначних властивостей запропонованого методу РК орієнтації є можливість переорієнтації осі легкої орієнтації РК Це може бути досягнуто шляхом опромінення попередньо опроміненої підкладки в новому напрямку Така властивість, наприклад, зменшує КІЛЬКІСТЬ етапів обробки підкладки та КІЛЬКІСТЬ використовуваних масок при одержанні мультидоменних структур, які, як відомо, створюються для запису зображень, покращення кута огляду РК дисплеїв та ш Для одержання таких структур, метод плазмової орієнтації може також комбінуватися з іншими відомими методами РК орієнтації Приклади здійснення способу Приклад 1 Підкладки на основі поліметилметакрилату опромінені плазмовим пучком при азимутальному куті 0° та полярному куті а=60° (фіг 7а) Після цього зразок покривається маскою із тефлону і опромінюється при азимутальному куті 90° та полярному куті а=60° (рис 76) Параметри опромінення для обох випадків такі J = 8 M K A / C M 2 , E=600eB, теХр=2,5хв Таким чином в підкладці індукується дводоменна структура із взаємно перпендикулярними осями легкої орієнтації РК (фіг7в) При складанні комірки із таких підкладок можна одержати РК домени паралельної чи твістової орієнтації Комірка заповнюється PKZLI4801-000 Приклад 2 Використовуються підкладки на основі ПОЛІВІнілціннамату Процес обробки підкладок аналогічний використаному в Прикладі 1 за винятком того, що на першому етапі обробки проходить опромінення частково поляризованим УФ пучком при азимутальному куті 0° та полярному куті а=60° У підкладці індукується дводоменна структура ана 58291 логічна тій, що в Прикладі 1 При складанні комірки із таких підкладок можна одержати РК домени паралельної чи твістової орієнтації Комірка заповнюється РКК15 Приклад З Використовуються підкладки на основі полмміду Процес обробки підкладок аналогічний використаному в Прикладі 1 за винятком того, що на першому етапі обробки проходить їх натирання в напрямку осі Y В підкладці індукується дводоменна структура аналогічна тій, що в Прикладі 1 При складанні комірки із таких підкладок можна одержати РК домени паралельної чи твістової орієнтації Комірка заповнюється РК К15 Приклад 4 Підкладки на основі полмміду опромінені плазмовим пучком при азимутальному куті 0° та полярному куті а=60° (фіг 8а) Після цього зразок покривається маскою із тефлону і опромінюється при азимутальному куті 180° та полярному куті а=60° (фіг 86) Параметри опромінення для обох випадків такі J=8MKA/CM2, E=600eB, теХр=2,5хв Таким чином у підкладці індукується дводоменна структура із протилежним напрямком переднахилу РК (фіг7в) При складанні комірки із таких підкладок можна одержати РК домени паралельної чи твістової орієнтації Комірка заповнюється РК К15 Наведені приклади підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого способу Джерела інформації 1 Дядюша А , Козенков В , Резников Ю , Ре 8 шетняк В, Хижняк А Укр фіз журн , 36, 1059 1991 2 Schadt М , Schmitt К , Kozmkov and Chignnov V, Jpn J Appl Phys - p a r t i - 3 1 , 2155 -1992 3 Hasegawa M , Jpn J Appl Phys - 39 - Part 1 No ЗА, 1272 -2000 4 US Patent, 5,770,826, 1998 5 Chaudhan P et al , Jpn J Appl Phys , N1A/B, L55 -1998 6 US Patent, 6,061,114, 2000 7 US Patent, 6,124,914, 2000 8 Chaudhan P et al NATURE, 411, 56 -2001 9 US Patent, 5,710,608, 1998 10 US Patent, 6,061,115, 2000 11 Fonseca J , Charue P and Galerne Y , Мої Cryst Liq Cryst, 329, 597 - 1999 12 Galerne Y and Hubert P, Eur Phys B, 8, 245 -1999 13 Патент Роси № 2055384, 1992 14 Dubois J , Gazard M and Zann A, Appl Phys Lett, 24, No7 -1974 15 Watanabe R , Nakano T , Jpn J Appl Phys , 26, No3, 373 -1987 16 Zhurm V , Kaufman H , Robinson R , Plasma Sources Sci Technol , 8, 1 -1999 17 Dyadyausha A , Marusii T , Rezmkov Yu and YaroshchukO, SPIE, 2731, 151 -1996 18 O'Neill M and Kelly S M, J Phys D Appl Phys , 33, 67 - 2000 19 Sun R, Huang X , Ma К and Jmg H SID ProclDRC, 225 -1994 Фіг.1 400 1000 E V Фіг.4 58291 10 IL.ai.uaE 1 ИУ